DE102005005117A1

DE102005005117A1 - Hochtemperaturbrennstoffzelle

Info

Publication number: DE102005005117A1
Application number: DE102005005117A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. Ringel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-02-05
Also published as: DE102005005117B4

Abstract

Hochtemperaturbrennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Interkonnektor und Glaslotschicht eine korrosionshemmende, flexible Schicht angeordnet ist, die gasdicht mit dem Interkonnektor verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturbrennstoffzelle.
Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Verschiedene Brennstoffzellentypen sind bekannt, beispielsweise die SOFC-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 44 3058 C1 sowie die PEM-Brennstoffzelle aus der Druckschrift DE 195 31 852 C1 .

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperaturbrennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000 °C betragen kann. An der Kathode einer Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen diffundieren durch den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente, auch Interkonnektoren genannt, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Mittels Interkonnektoren entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Die Brennstoffzellenstapel bestehen aus den Interkonnektoren und den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten.

Interkonnektoren können neben den elektrischen und mechanischen Eigenschaften auch Gasverteilerstrukturen besitzen. Gasverteilerstrukturen bewirken, dass die Betriebsmittel Luft und Brenngas gleichmäßig in den Elektrodenräumen (Räume in denen sich die Elektroden befinden) ein- und abgeleitet werden.

Die nach dem Stand der Technik bekannten Interkonnektoren werden aus Metall gefertigt, wodurch eine gute elektrische Leitfähigkeit gewährleistet wird. Ein Nachteil der metallischen Interkonnektoren besteht jedoch darin, dass diese korrosionsanfällig sind und die Lebensdauer der Brennstoffzelle dadurch verkürzt wird. Bei Temperaturen von 600 bis 1000°C reagieren unter anderem die Bestandteile des Glaslotes, welches für die Dichtigkeit der Brennstoffzellen sorgen soll, allmäh lich mit den Bestandteilen der Stahllegierung der Interkonnektoren, womit die Korrosion verstärkt wird. Dies ist besonders problematisch, wenn der Stahl elektrisch leitfähig bleiben muss und deshalb üblicherweise aus ferritischem Chromstahl gefertigt wird (z.B. Crofer 22, eine Stahllegierung mit 22% Chrom), der bei hohen Temperaturen eine Chromoxidschutzschicht ausbildet, die ausreichend leitfähig ist. Diese Chromoxidschutzschicht ist jedoch besonders anfällig für den Angriff durch die Bestandteile des Glaslotes.

Weiterhin können bei Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln folgende Probleme auftreten:
Bei zyklischer Temperaturbelastung treten allgemein Wärmespannungen, verbunden mit Relativbewegungen der Einzelkomponenten zueinander, auf; diese resultieren aus dem unterschiedlichen Ausdehnungverhalten bzw. den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien im Betrieb.

Dies betrifft auch die in Brennstoffzellen häufig eingesetzten Glaslote, die die Dichtigkeit der Brennstoffzellen gewährleisten sollen. Die Aushärtung des Glaslotes durch dessen Kristallisation führt dazu, dass es spröde und hiermit bruchanfällig wird. Dies kann Zer störungen innerhalb der Brennstoffzelle zur Folge haben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hochtemperaturbrennstoffzelle bereit zu stellen, deren Interkonnektor gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Interkonnektoren oxidationsbeständiger ist, sowie Probleme, die auf Wärmespannungen beruhen, z.B. mangelnde Dichtigkeit, auszuschließen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle mit den zuvor genannten Eigenschaften zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1 gelöst. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Interkonnektor und Glaslotschicht eine korrosionshemmende, flexible Schicht angeordnet ist, die gasdicht mit dem Interkonnektor verbunden ist. Da die Bestandteile des Glaslotes, welches für die Abdichtung zwischen den einzelnen Schichten in einem Brennstoffzellenstapel verwendet wird, bei Betriebstemperaturen der Hochtemperaturbrennstoffzellen von 600 bis 1000°C, eine Korrosion der Stahllegierung des Interkonnektors verursachen, wird dieser durch die erfindungsgemäße korrosionshemmende/-resistente und flexible Schicht geschützt. Diese kann beispielsweise eine Schicht aus ferritischem Aluchrom sein. Dieses Material, das neben den etwa 20% Chrom noch 2 bis 5% Aluminium enthält, bildet eine dichte Aluminiumoxidschutzschicht aus, die dem Angriff der Bestandteile des Glaslots auch bei langer Einwirkungszeit widersteht und den eigentlichen Interkonnektorstahl, insbesondere den ferritischen Chromstahl, vor einem Angriff durch die Bestandteile des Glaslots schützt. Geeignete Materialien für die erfindungsgemäße Schicht sind dadurch gekennzeichnet, dass ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient nahezu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffes des Interkonnektors entspricht. Dies ist beispielsweise bei der Verwendung von Aluchrom für die korrosionshemmmende, flexible Schicht und Crofer 22 für das Material des Interkonnektors erfüllt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle besteht die Schicht aus einer dünnen Folie oder einem dünnen Blech von ca. 0,1 mm bis 0,5 mm. Durch die Anbindung des Glaslotes an die dünne, flexible Schicht kann die Bruchgefahr des Glaslotes reduziert werden, da bei der Verbindung des Glaslotes an die flexible Schicht geringere Spannungen entstehen als bei der Verbindung mit dem starren Interkonnektor. Ein weiterer Vorteil ist die Verminderung der Spannungen, die durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Zelle und Interkonnektor hervorgerufen wird. Eine relative Bewegung dieser beiden Elemente der Brennstoffzelle bei Temperaturveränderungen ist – bis auf die lokale gasdichte Verbindung- durch das am Interkonnektor lose Anliegen der Folie erleichtert. Hierzu besitzt die Folie zwischen der äußeren und der inneren Glaslotdichtung eine Sicke, welche Relativbewegungen ausgleicht.

Eine gasdichte Verbindung der korrosionshemmenden, flexiblen Schicht mit dem Interkonnektor kann z.B. durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten erreicht werden.

Im Folgenden wird die Erfindung unter anderem auch anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur erläutert.
Es zeigt:
1: schematischer Querschnitt durch einen Stapel von Brennstoffzellen, mit der erfindungsgemäßen Schicht zwischen Interkonnektoren und Glaslot
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch zwei Brennstoffzellen 5, jeweils bestehend aus Anode 2, Kathode 3 und Elektrolyt 4, die durch Interkonnektoren 1 miteinander verbunden werden. Die Interkonnektoren 1 enthalten an der Seite zur Kathode 3 für die Luftführung Gaskanäle 6, die durch Stege 7 voneinander getrennt werden. An der Seite zur Anode 2 ist für die Brenngasführung ein grobes Nickelnetz 8 vorhanden. Die Interkonnektoren 1 werden durch Glaslotdichtungen 9,9a gasdicht miteinander verbunden. Zwischen Glaslotdichtung 9, 9a und Interkonnektor 1 ist die erfindungsgemäße korrosionshemmende, flexible Schicht 10 angeordnet. Der Kathodenraum 11 ist durch die Glaslotdichtung 9a gegenüber dem Anodenraum 12 abgedichtet. Die erfindungssgemäße Schicht 10, die sich entlang der äußeren 9 und der inneren Glaslotdichtung 9a erstreckt, kann eine Sicke 13 zum Ausgleich von Relativbewegungen aufweisen. In diesem Fall befindet sich im Interkonnektor 1 an der entsprechenden Stelle eine Vertiefung 14. Die erfindungsgemäße Schicht 10 ist durch gasdichte Verbindungen 15 mit dem Interkonnektor 1 verbunden sein.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochtemperaturbrennstoffzelle.
Dabei ist vorgesehen, die erfindungsgemäße, korrosionshemmende, flexible Schicht 10 zwischen Interkonnektor 1 und Glaslotdichtung 9,9a einzulegen und durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten gasdicht mit dem Interkonnektor 1 zu verbinden.

Claims

Hochtemperaturbrennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Interkonnektor (1) und Glaslotdichtung (9,9a) eine korrosionshemmende, flexible Schicht (10) angeordnet ist, die gasdicht mit dem Interkonnektor (1) verbunden ist.
Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) aus ferritischem Aluchrom besteht.
Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) eine dünne Folie oder ein dünnes Blech ist.
Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) eine Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm hat.
Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (1) und die Schicht (10) zwischen der äußeren (9) und der inneren Glaslotdichtung (9a) eine Sicke (13) bzw. eine Vertiefung (14) aufweisen.
Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (10) durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten gasdicht mit dem Interkonnektor (1) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel, umfassend mindestens zwei Hochtemperaturbrennstoffzellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Interkonnektors für Hochtemperaturbrennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Interkonnektor (1) und Glaslotdichtung (9,9a) eine korrosionshemmende, flexible Schicht (10) eingelegt wird, die durch Schweißen oder Hochtemperaturlöten gasdicht mit dem Interkonnektor (1) verbunden wird.